CN105916272A - 一种头戴式多功能工作灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式多功能工作灯控制系统，包括中央处理器、瞳孔跟踪模块、测距模块、舵机模块、光感应模块、亮度控制模块以及电源模块中央处理器根据瞳孔跟踪模块、测距模块以及光感应模块提供的信息进行综合处理后向舵机模块、亮度控制模块和电源模块输出控制信号，所述电源模块给中央处理器以及系统的每个模块提供电源。本发明为在不同环境下需要灯光照明的工作者提供准确的灯光定点照射，同时可根据环境中灯光的变化改变灯光亮度，以此达到最佳的照明效果。

Description

一种头戴式多功能工作灯控制系统

技术领域

本发明涉及照明、瞳孔跟踪技术和环境检测领域，具体涉及一种可追踪观察点、具有自动调整灯光亮度以及实时检测环境确保工作者人身安全的准确照明工作系统。

背景技术

传统的头戴式工作灯的灯光亮度不可改变，无法适应各种工作环境；且灯光的照射固定不变，时常与用户的观察点有较大差别，无法准确提供灯光照射；除此，在相对较为危险的工作环境下，无法对环境进行实时检测，对工作者的身体甚至生命造成威胁。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可追踪观察点、具有自动调整灯光亮度以及实时检测环境确保工作者人身安全的准确照明工作系统。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：包括中央处理器、瞳孔跟踪模块、测距模块、舵机模块、光感应模块、亮度控制模块以及电源模块；所述中央处理器分别与瞳孔跟踪模块、测距模块、舵机模块、光感应模块、亮度控制模块以及电源模块连接；瞳孔跟踪模块向中央处理器发送用户观察点与用户瞳孔之间的角度变化信息，测距模块向中央处理器发送实时测量观察物体与用户眼睛的距离信息；光感应模块将光信号转换为电信号发送给中央处理器；中央处理器根据瞳孔跟踪模块、测距模块以及光感应模块提供的信息进行综合处理后向舵机模块、亮度控制模块和电源模块输出控制信号，所述电源模块给中央处理器以及系统的每个模块提供电源。

进一步地，控制系统还多功能可拆卸模块和报警模块，所述多功能可拆卸模块根据用户工作环境的不同，可加装环境检测模块，环境检测模块检测后将相应信号转换为电信号并发送给中央处理器，当检测值不处于预设的安全值时，中央处理器将控制报警模块发出危险警报。

进一步地，所述瞳孔跟踪模块中设有瞳孔跟踪软件，瞳孔跟踪软件通过摄像头拍摄的视频对用户的眼睛进行定位，利用边缘检测算法勾勒出瞳孔的轮廓，并通过椭圆拟合的算法找到瞳孔的准确位置。

进一步地，所述测距模块内设有观察点定位软件，观察点定位软件根据瞳孔跟踪模块获得瞳孔的准确位置，并对空间进行三维建模，构造出用户视线的方向；通过测距模块提供的人眼与观察物体的距离以及照明灯具组和人眼之间的距离，构造三角形并确定定点位置。

进一步地，所述环境检测模块包括氧气检测模块、甲烷检测模块或者温度传感模块中一种或多种。

以下对各个模块的功能设置进行相应说明。

瞳孔跟踪模块：根据用户工作时视线的变化实时跟踪瞳孔的运动，确定用户观察点与用户瞳孔之间的角度变化并发送给中央处理器，为后续确定观察点具体位置并调整照明灯具组灯光照射方向；

测距模块：根据用户工作时姿态的不同，实时测量观察物体与用户眼睛的距离并发送给中央处理器，为后续确定观察点具体位置并调整照明灯具组灯光照射方向；

光感应模块：根据用户工作环境中的光线明暗情况，将光信号转换为电信号并发送给中央处理器，为后续改变照明灯具组的灯光亮度做准备；

多功能可拆卸模块：根据用户工作环境的不同，可分别加装氧气浓度检测模块、甲烷检测模块、温度传感模块等模块，模块检测后将相应信号转换为电信号并发送给中央处理器，当工作环境过于恶劣不适应工作时，该系统可发出危险警报。

舵机模块，舵机模块连接中央处理器，中央处理器输出控制信号给舵机模块；所述舵机模块：根据瞳孔跟踪模块和测距模块发送给中央处理器的数据处理后确定的用户观察点，调整照明灯具组灯光的照射方向，达到和观察点的重合。

亮度控制模块，亮度控制模块连接中央处理器，中央处理器输出控制信号给亮度控制模块；所述亮度控制模块：根据光感应模块发送给中央处理器的数据处理后确定的最佳照明亮度，调整照明灯具组灯光的亮度的强弱变化，达到最佳的照明效果。

报警模块，报警模块连接中央处理器，中央处理器输出控制信号给报警模块；所述报警模块：根据多功能可拆卸模块发送给中央处理器的数据处理后对当前工作环境进行判断，若继续工作会对用户的身体造成危害，则发出危险警报，并且警报灯亮。

照明灯具组；所述照明灯具组安装在本发明的最前端，同时连接舵机模块和亮度控制模块，舵机模块控制照明灯具组的灯光照射方向，亮度控制模块控制照明灯具组的灯光强弱。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供的头戴式多功能工作灯系统具有更准确有效的照明效果，不仅能根据用户观察点的改变及时调整灯光的照射方向，达到照射点与用户观察点的一致，同时还可以根据工作环境中光线的变化情况对照明灯具组灯光的强弱进行调整，使照明效果达到最佳。除此之外，考虑到重量问题，本发明还配有多种可拆卸的环境检测模块，能配合多种工作下的环境检测，工作环境不达标则能报警提醒工作者停止工作，保证了工作者工作时的人身安全。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2本发明中的瞳孔跟踪软件流程图。

图3本发明中的观察点定位软件流程图。

图4本发明系统软件流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本例采用stm32系列的单片机，将瞳孔跟踪模块、测距模块、舵机模块、光感应模块、亮度控制模块、多功能可拆卸模块、报警模块和电源模块连接中央处理器，进行瞳孔跟踪和测距并将数据发送给中央处理器，由中央处理器运算得到实际观察点并指示舵机调整灯光照射角度。同时检测环境光线和环境中具体指标并发送给中央处理器，对灯光的亮度进行调整以及对环境状况进行监测报警。见图1。

硬件部分主要分为以下模块：

(1)电源模块

本发明中的各个模块使用电源模块统一供电，由于各个模块使用的电压各不相同，所以需要对供电电压进行分别处理。采用MC34063对电压进行升压和降压，用2040芯片进行稳压处理。

(2)瞳孔跟踪模块

瞳孔跟踪模块包含高分辨率的摄像头，通过对瞳孔周围几个点的定位能准确扫描用户的瞳孔外形以及实时跟踪瞳孔的运动情况。

(3)测距模块

测距模块采用超声波测距技术，精度可达到1mm，能准确的测量出人眼和前方观察物体的距离。

(4)舵机模块

舵机模块与照明灯具组连接，接收中央处理器发送过来的数字信号并进行处理得到相应的PWM波，利用PWM波控制舵机的方向从而控制灯光照射的方向。

(5)光感应模块

光感应模块包含光传感器，能准确的检测工作环境中光线的强弱并处理成数字信号发送给中央处理器。

(6)亮度控制模块

亮度控制模块与照明灯具组连接，接收中央处理器发送过来的数字信号并进行处理，利用处理过的信号控制照明灯具组的工作电流从而控制照明灯具组的灯光的亮暗变换。

(7)多功能可拆卸模块

多功能可拆卸模块包含三个模块，分别为氧气检测模块、甲烷检测模块和温度传感模块，相应的模块上包含对应检测需要的传感器；三个模块与中央处理器的接口相同，可根据需要直接替换。

(8)报警模块

报警模块包含录音设备、播放器和LED，能根据相应的传感模块语音播报出当前检测的氧气、甲烷的浓度或温度的高低，若超过规定参数，则语音提示不能继续工作，同时LED灯闪烁。

软件设计部分：

软件部分主要由三个部分组成：

(1)系统软件模块

采用stm32系列的单片机，能大幅度提高程序的运算速度，同时保证各个模块之间的兼容性。系统软件包括距离换算程序、PWM波输出程序、音频录入程序、播放器软件、灯光亮度控制程序等。

(2)瞳孔跟踪软件

如图2所示，瞳孔跟踪软件通过摄像头拍摄的视频对用户的眼睛进行定位，利用边缘检测算法勾勒出瞳孔的轮廓，并通过椭圆拟合的算法找到瞳孔的准确位置。

(3)观察点定位软件

如图3所示，根据瞳孔跟踪模块获得瞳孔的准确位置，并对空间进行三维建模，构造出用户视线的方向；通过测距模块提供的人眼与观察物体的距离以及照明灯具组和人眼之间的距离，构造三角形并确定定点位置，即为用户观察点的准确位置，只需通过舵机模块改变灯光的照射角度使其能通过观察点位置就能够实现用户观察点与灯光照射方向的重合。见图2。

光感应模块的输入输出接口和中央处理器的光感应接口相连接，可以检测空间环境中光线的强度，并转化成相应的数字信号发送给中央处理器。

亮度控制模块的输入输出接口和中央处理器的亮度控制接口相连接，通过比对环境中的光线强度，计算出最佳照明效果时的照明灯具组的灯光强度，并输出信号控制灯光亮度变化。

多功能可拆卸模块的输入输出接口和中央处理器的多功能检测接口相连接，可分别利用三种不同的传感器检测空间环境中的氧气、甲烷和温度，并转化成相应的数字信号发送给中央处理器。

报警模块的输入输出接口和中央处理器的报警接口相连接，接收中央处理器的数据并且通过语音播报当前环境中检测指标的参数，若超过规定参数，则语音提示不能继续工作，同时LED灯闪烁。

工作流程

当用户穿戴好本发明并且接通电源后，照明灯具组的亮度达到最大亮度时的一半，并且舵机处在无偏的位置下。瞳孔跟踪模块开始对人的瞳孔进行实时的跟踪，结合测距模块对人眼和观察物体之间距离的测算，确定用户观察点的方位，并通过舵机模块控制照明灯具组灯光的照射方向，达到与观察点的重合。光感应模块实时检测空间环境中光线的强弱变化，通过数据处理找到最佳照明效果时灯光的亮度并通过亮度控制模块对灯光的强弱进行控制。在选择了具体的环境检测模块后，对环境中的相应指标进行实时监测，通过报警模块语音播报当前环境中检测对象的具体参数，若超过规定参数，则语音提示不能继续工作，溶蚀LED灯闪烁。

如图4所示，本发明系统的软件工作流程如下：程序内部设置了一个计数器，计数器计数值从1到3无限循环，每个计数值对应一种工作状态。当计数值为1时，利用瞳孔跟踪模块和测距模块确定视线点的位置，并通过舵机调整灯光的照射方向，使得灯光照射点和用户观察点一致；随即计数器加1，计数器值为2，进入灯光控制部分，利用光感应模块检测环境中光线强弱，若灯光适宜，则不改变灯光强度，若不适宜，通过调整灯光亮度达到适宜的照明条件；此时计数器再加1，计数器值为3，进入环境指标检测，若指标满足安全工作条件，则不发出警报声，若不满足，则发出警报声。计数器再加1，由于计数器值大于3，计数器置0再加1，再次进入光线照射方向的调整，以此类推，不断循环。设置此计数器使得此发明的多种功能在逻辑上按顺序进行，并且无限循环进行，由于每个功能在时间上非常短暂，用户并不能感觉到时间差，就好比三个功能是在同时不间断运行。这样的设计不仅大大减轻了CPU的运行负担，还能保证系统的稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：包括中央处理器、瞳孔跟踪模块、测距模块、舵机模块、光感应模块、亮度控制模块以及电源模块；所述中央处理器分别与瞳孔跟踪模块、测距模块、舵机模块、光感应模块、亮度控制模块以及电源模块连接；瞳孔跟踪模块向中央处理器发送用户观察点与用户瞳孔之间的角度变化信息，测距模块向中央处理器发送实时测量观察物体与用户眼睛的距离信息；光感应模块将光信号转换为电信号发送给中央处理器；中央处理器根据瞳孔跟踪模块、测距模块以及光感应模块提供的信息进行综合处理后向舵机模块、亮度控制模块和电源模块输出控制信号，所述电源模块给中央处理器以及系统的每个模块提供电源。

2.根据权利要求1所述头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：所述控制系统包括多功能可拆卸模块和报警模块，所述多功能可拆卸模块根据用户工作环境的不同，可加装环境检测模块，环境检测模块检测后将相应信号转换为电信号并发送给中央处理器，当检测值不处于预设的安全值时，中央处理器将控制报警模块发出危险警报。

3.根据权利要求1所述头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：所述瞳孔跟踪模块中设有瞳孔跟踪软件，瞳孔跟踪软件通过摄像头拍摄的视频对用户的眼睛进行定位，利用边缘检测算法勾勒出瞳孔的轮廓，并通过椭圆拟合的算法找到瞳孔的准确位置。

4.根据权利要求1所述头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：所述测距模块内设有观察点定位软件，观察点定位软件根据瞳孔跟踪模块获得瞳孔的准确位置，并对空间进行三维建模，构造出用户视线的方向；通过测距模块提供的人眼与观察物体的距离以及照明灯具组和人眼之间的距离，构造三角形并确定定点位置。

5.根据权利要求2所述头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：所述环境检测模块包括氧气检测模块、甲烷检测模块或者温度传感模块中一种或多种。

6.根据权利要求1所述头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：所述中央控制处理器内设有系统软件，其工作流程如下：

1）接收瞳孔跟踪模块传输过来的瞳孔拟合数据，确定瞳孔的准确位置；

2）判断瞳孔拟合是否正确，若不正确，反馈瞳孔跟踪模块，重新对瞳孔进行拍摄拟合；若正确，接收测距模块传输过来的距离测量值；

3）通过瞳孔的准确位置和距离测量值进行三维建模，对视线点进行定位。

7.根据权利要求6所述头戴式多功能工作灯控制系统，其特征在于：所述系统软件具体流程如下：

程序内部设置了一个计数器，计数器计数值从1到3无限循环，每个计数值对应一种工作状态，当计数值为1时，利用瞳孔跟踪模块和测距模块确定视线点的位置，并通过舵机调整灯光的照射方向，使得灯光照射点和用户观察点一致；随即计数器加1，计数器值为2，进入灯光控制部分，利用光感应模块检测环境中光线强弱，若灯光达到预设值，则不改变灯光强度，若不达到，通过调整灯光亮度达到相应的照明条件；此时计数器再加1，计数器值为3，进入环境指标检测，若指标满足安全工作预设安全值，则不发出警报声，若不满足，则发出警报声；计数器再加1，由于计数器值大于3，计数器置0再加1，再次进入光线照射方向的调整，以此类推，不断循环。